连杆设计和分析.ppt

1、第三章第三章连杆机构设计和分析连杆机构设计和分析3.1 3.1 内容提要及基本概念内容提要及基本概念3.2 3.2 本章重点、难点本章重点、难点3.3 3.3 典型例题精解典型例题精解3.1 3.1 内容提要及基本概念内容提要及基本概念3.1.1内容提要内容提要平面连杆机构又称为平面低副机构，其各运动副都为低副，相邻构件之间的平面连杆机构又称为平面低副机构，其各运动副都为低副，相邻构件之间的接触面为平面或圆柱面，加工方便，易达到高精度，并能承受较大载荷及形成几接触面为平面或圆柱面，加工方便，易达到高精度，并能承受较大载荷及形成几何封闭等优点，因此获得广泛应用。本章的主要目的是在掌握基本概念和基

2、本理何封闭等优点，因此获得广泛应用。本章的主要目的是在掌握基本概念和基本理论的基础上，能根据给定的运动要求及辅助条件、动力条件，确定平面连杆机构论的基础上，能根据给定的运动要求及辅助条件、动力条件，确定平面连杆机构的形式和各构件的尺寸参数，并能进行运动和力分析。的形式和各构件的尺寸参数，并能进行运动和力分析。平面四杆机构的特点、基本型式及其演化形式平面四杆机构的特点、基本型式及其演化形式平面四杆机构曲柄存在的条件、急回特性、压力角、平面四杆机构曲柄存在的条件、急回特性、压力角、传动角、传动角、行程速度比系数、极位夹角、死点位置行程速度比系数、极位夹角、死点位置本章内容包括本章内容包括 平面四杆

3、机构设计的基本问题、按简单运动条件设计平面四杆机构设计的基本问题、按简单运动条件设计平面四杆机构的一些基本方法平面四杆机构的一些基本方法平面连杆机构运动分析的目的和方法，包括瞬心法、相平面连杆机构运动分析的目的和方法，包括瞬心法、相对运动图解法、解析法对运动图解法、解析法平面连杆机构力分析的目的和方法平面连杆机构力分析的目的和方法3.1.2基本概念复习基本概念复习2）连杆机构分类）连杆机构分类平面连杆机构、空间连杆机构平面连杆机构、空间连杆机构3）平面连杆机构）平面连杆机构组成平面连杆机构的构件在同一平面或相互平行的平面上运动，运动副组成平面连杆机构的构件在同一平面或相互平行的平面上运动，运动

4、副全部都是平面低副，分平面四杆机构和平面多杆机构。全部都是平面低副，分平面四杆机构和平面多杆机构。4）平面四杆机构的基本类型）平面四杆机构的基本类型铰链四杆机构，运动副全是转动副，如铰链四杆机构，运动副全是转动副，如图所示。图所示。1）连杆机构）连杆机构由低副（如转动副、移动副、球面副、圆柱副、螺旋副等）将若干构件由低副（如转动副、移动副、球面副、圆柱副、螺旋副等）将若干构件连接而成。连接而成。曲柄曲柄作整周定轴回转的构件；作整周定轴回转的构件；连杆连杆作平面运动的构件；作平面运动的构件；连架杆连架杆与机架相连的构件；与机架相连的构件；摇杆摇杆作定轴摆动的构件；作定轴摆动的构件；周转副周转副能

5、作能作360360 相对回转的运动副；相对回转的运动副；摆转副摆转副只只能作有限角度摆动的运动副。能作有限角度摆动的运动副。1.平面四杆机构的特点和形式平面四杆机构的特点和形式5 5）铰链四杆机构的分类铰链四杆机构的分类曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 两连架杆中，一个为曲柄，而另一个为摇杆。两连架杆中，一个为曲柄，而另一个为摇杆。双曲柄机构双曲柄机构 两连架杆均为曲柄。两连架杆均为曲柄。ABDC1243雷达天线俯仰机构雷达天线俯仰机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构作者：潘存云教授ABDC1234E631惯性筛机构惯性筛机构 双曲柄机构双曲柄机构作者：潘存云教授ABCD作者：潘存云教授耕耕地地料料斗斗DCA

6、B实例：实例：火车轮火车轮双曲柄机构的特例：双曲柄机构的特例：平行四边形机构。平行四边形机构。AB=CD特征：特征：两连架杆等长且平行，两连架杆等长且平行，连杆作平动连杆作平动BC=AD摄影平台摄影平台作者：潘存云教授ADBC作者：潘存云教授天平天平播种机料斗机构播种机料斗机构作者：潘存云教授作者：潘存云教授反平行四边形机构。反平行四边形机构。双摇杆机构双摇杆机构 两连架杆均为摇杆。两连架杆均为摇杆。作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABDCE等腰梯形机构等腰梯形机构汽车转向汽车转向机构机构 6 6）平面四杆机构的演变平面四杆机构的演变作者：潘存云教授偏心曲柄滑块机构偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块

7、机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构曲柄滑块机构双滑块机构双滑块机构 正弦机构正弦机构摇杆变为滑块，摇杆变为滑块，滑槽弧半径为滑槽弧半径为摇杆长度时摇杆长度时滑槽弧半径为滑槽弧半径为无穷大时无穷大时滑道与滑道与曲柄铰曲柄铰链共线链共线摇杆变为滑块，摇杆变为滑块，滑槽弧半径为滑槽弧半径为连杆长度时连杆长度时滑槽弧半径滑槽弧半径为无穷大时为无穷大时 改变构件的形状和运动尺寸。改变构件的形状和运动尺寸。改变运动副的尺寸。改变运动副的尺寸。选不同的构件为机架。选不同的构件为机架。偏心轮机构偏心轮机构作者：潘存云教授转动副半径大转动副半径大于曲柄长度于曲柄长度2.平面四杆机构的基本知

8、识平面四杆机构的基本知识作：潘存云教授平面平面四杆机构四杆机构具有具有整转副整转副可能存在可能存在曲柄。曲柄。b(da)+c则由则由BCD可得：可得：则由则由B”C”D可得：可得：a+d b+cc(da)+bAB为最短杆为最短杆 a+bc+d1 1）平）平面面四杆机构四杆机构有曲柄的条件有曲柄的条件设设adad，同理有：同理有：da,db,dcAD为最短杆为最短杆将以上三式两两相加得：将以上三式两两相加得：ab,ac,ad连架杆或机架之一为最短杆。连架杆或机架之一为最短杆。可可知知：当当满满足足杆杆长长条条件件时时，其其最最短短杆杆参参与与构构成成的的转转动动副都是整转副副都是整转副。曲柄存在

9、的条件：曲柄存在的条件：最长杆与最短杆的长度之和最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度之和，其他两杆长度之和，称为称为杆长条件杆长条件。此时，铰链此时，铰链A为整转副。为整转副。若取若取BC为机架，则结论相同，可知铰链为机架，则结论相同，可知铰链B也是整转副。也是整转副。铰链四杆机构类型的判断：铰链四杆机构类型的判断：第一种情况第一种情况:若最短杆最长杆若最短杆最长杆其他两杆之和其他两杆之和若选最短杆的相邻做机架若选最短杆的相邻做机架曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构(上图上图)。若选最短杆做机架若选最短杆做机架双曲柄机构（中图）。双曲柄机构（中图）。若选最短杆的对面的杆做机架若选最短杆的对面的杆做机架双

10、摇杆机构双摇杆机构(下图下图)。第二种情况第二种情况:若最短杆最长杆其他两杆之和若最短杆最长杆其他两杆之和 双摇杆机构（无论以何杆做机架）双摇杆机构（无论以何杆做机架）A AB BC CD DA AB BC CD DA AB BC CD DA AB BC CD D2)极位夹角和急回特性极位夹角和急回特性极位夹角极位夹角曲柄与连杆两次共线时，两曲柄位置所夹的锐角曲柄与连杆两次共线时，两曲柄位置所夹的锐角是极位夹角。是极位夹角。当当曲曲柄柄以以逆逆时时针针转转过过180+180+时时，摇摇杆杆从从C1D位位置置摆摆到到C2D。所所花花时时间间为为t1,平平均速度为均速度为v1,那么有：那么有：当曲

11、柄以当曲柄以继续转过继续转过180-180-时，摇杆从时，摇杆从C2D位位置摆到置摆到C1D，所花时间为所花时间为t2,平均平均速度为速度为v2,那么有：那么有：显然：显然：t t1 1 t t2 2 v v2 2 v v1 1摇杆的这种特性称为摇杆的这种特性称为急回运动急回运动。急回特性。急回特性。称称K K为为行程速比系数行程速比系数。且且越大，越大，K K值越大，急回性质越明显。值越大，急回性质越明显。只要只要 0，就有就有K K 1设计新机械时，往往先给定设计新机械时，往往先给定K K值，于是值，于是:行程速比系数行程速比系数K。曲柄滑块机构曲柄滑块机构的急回特性的急回特性导杆机构的急

12、回特性导杆机构的急回特性当当BCDBCD9090时，时，BCDBCD3)压力角和传动角压力角和传动角压力角压力角：从动件驱动力从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。与力作用点绝对速度之间所夹锐角。设计时要求设计时要求:minmin5050minmin出现的位置：出现的位置：当当BCDBCD9090时，时，180-180-BCDBCD切向分力切向分力 F F=F Fcoscos法向分力法向分力 F F”=F Fcoscos F F 对传动有利对传动有利。=F Fsinsin此位置一定是：此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。主动件与机架共线两处之一。传动角：传动角：压力角的余角，压力角

13、的余角，可用可用的大小来表示机构传动力性能的好坏。的大小来表示机构传动力性能的好坏。当当BCDBCD最小或最大时，都有可能出现最小或最大时，都有可能出现minmin由余弦定律有（如右上图）由余弦定律有（如右上图）：B B1 1C C1 1D Darccosarccosb b2 2+c c2 2-(-(d d-a a)2 2/2/2bcbc B B2 2C C2 2D Darccosarccosb b2 2+c c2 2-(-(d d+a a)2 2/2/2bcbc若若B B1 1C C1 1D D9090,则则若若B B2 2C C2 2D D9090,则则1 1B B1 1C C1 1D D

14、2 2180-180-B B2 2C C2 2D DminminB B1 1C C1 1D D,180-,180-B B2 2C C2 2D D minmin作者：潘存云教授4）机构的死点位置机构的死点位置摇杆为主动件，摇杆为主动件，且且连杆与曲柄两次共线连杆与曲柄两次共线时时，有：有：0 0（如右中图）如右中图）此时此时机构不能运动机构不能运动,称此位置为称此位置为“死点死点”。也可以利用死点进行工作，如也可以利用死点进行工作，如飞机飞机起落架起落架。作者：潘存云教授作者：潘存云教授5）铰链四杆机构的运动连续性铰链四杆机构的运动连续性指连杆机构能否连续实现给定的各个位置。指连杆机构能否连续实

15、现给定的各个位置。可行域：可行域：摇杆的运动范围，如图阴影部分。摇杆的运动范围，如图阴影部分。不可行域：不可行域：摇杆不能达到的区域，如图非阴影部分。摇杆不能达到的区域，如图非阴影部分。错位不连续：错位不连续：设计时不能要求从一个可行域跳过不可行域进入另一个可行域。设计时不能要求从一个可行域跳过不可行域进入另一个可行域。称此为称此为错位不连续。错位不连续。错序不连续错序不连续设计连杆机构时，应满足运动连续性条件。设计连杆机构时，应满足运动连续性条件。C1C2C1C2CCADBDAB1C1B2C2B3C3DAB1C1B2C2B3C3错序不连续错序不连续：不能按不能按B1C1、B3C3、B2C2顺

16、序运动。顺序运动。3.平面连杆机构运动设计的基本问题平面连杆机构运动设计的基本问题1）平面连杆机构的功能平面连杆机构的功能刚体导引功能：刚体导引功能：机构引导刚体如连杆通过一系列给定位置。具有这种功能的机构引导刚体如连杆通过一系列给定位置。具有这种功能的连杆机构就是刚体导引机构。连杆机构就是刚体导引机构。函数生成功能：函数生成功能：能精确地或近似地实现所要求的输出构件相对输入构件的某能精确地或近似地实现所要求的输出构件相对输入构件的某种函数关系。具有这种功能的机构就是函数生成机构。种函数关系。具有这种功能的机构就是函数生成机构。轨迹生成功能：轨迹生成功能：指连杆上某点通过某一预先给定轨迹的功能，具有这种功能指连杆上某点通过某一预先给定轨迹的功能，具有这种功能的机构就是轨迹机构。的机构就是轨迹机构。具有特殊或综合功能的机构：具有特殊或综合功能的机构：具有特殊或综合功能的要求。具有特殊或综合功能的要求。2 2）设计方法：实验法、几何图解法、解析法）设计方法：实验法、几何图解法、解析法4.用解析法设计四杆机构用解析法设计四杆机构思思路路：首首先先建建立立包包含含机机构构的的各各尺尺度度参参数